本發(fā)明涉及一種鈹水反應裝置，適用于高熔點輕金屬與水產氫規(guī)律實驗研究。

背景技術：
鈹由于中子倍增性好、機械性能優(yōu)良、抗輻照腫脹等優(yōu)點在聚變堆作為中子倍增劑的主要候選材料。鈹還廣泛的應用于武器系統(tǒng)、X射線儀表、電子信息系統(tǒng)、汽車行業(yè)、家用電器、航空航天等領域。然而化學性質活潑的鈹與水、空氣等物質接觸時會發(fā)生劇烈的熱力學及化學反應。在鈹?shù)膽妙I域，如核反應堆領域，水具有高熱流密度等優(yōu)良性質及成熟的裂變堆應用技術，成為聚變堆包層冷卻劑的重要選擇。在事故工況下，鈹有與水接觸反應的可能，產生氫氣和氧化鈹，進而發(fā)生氫氣爆炸，嚴重危害反應堆安全。開展鈹這類金屬與水反應實驗，對于評估工業(yè)上金屬的使用條件和事故危害提供實驗指導和理論依據(jù)。然而，由于鈹本身的物理性質如熔點高，在常溫下為固態(tài)，無毒，在高溫下鈹具有很高的揮發(fā)性，且其蒸汽有毒，需要進行特殊的防護。目前，國內還沒有開展鈹金屬與水反應實驗研究。國際上僅有少數(shù)國家在該方面進行了研究，美國設計了高溫水蒸汽注入鈹粉末實驗裝置，該裝置僅反應區(qū)和加熱區(qū)是同一區(qū)，沒有進行鈹蒸汽隔離，同時裝置測量僅將收集的氫氣進行分析，沒有考慮樣品表面溫度測量及可視化。本發(fā)明的技術解決問題：1)該發(fā)明在金屬鈹上方固定一個熱電偶，在存放樣品的托盤上引出一根導線，該導線和熱電偶正極相連，當表面熱電偶沒有接觸到金屬表面時，電路處于斷路狀態(tài)，熱電偶和反應室通過波紋管密封，上方通過半圓形夾具固定熱電偶水平方向，半圓形夾具固定于反應室，通過電機調節(jié)外力得熱電偶向下移動，當熱電偶接觸到樣品，電路處于通路，熱電偶通過控制系統(tǒng)顯示溫度信號時，停止外力施加。2)該發(fā)明特征在于加熱室、反應室、隔離室分離結構，延伸桿穿過加熱室，通過電機控制延伸桿的伸入長度，整個電機控制裝置在容器內，通過引線引出容器來控制電機的操作。將樣品在加熱室加熱后，打開加熱室和隔離室隔板1，將樣品送入隔離室，通過抓手將樣品從延伸桿抓起，延伸桿推出隔離室，關閉隔板，上下隔板采用端面密封。金屬板從反應室通過隔板2進入隔離室，樣品從抓手釋放到金屬板上，調節(jié)金屬板進入反應室，關閉隔板2。3)采用高速成像設備、氫氣在線和離線監(jiān)測設備綜合觀測鈹與水反應過程和產物。在水罐上方有兩根Pt電極，電極后連接有一定電壓的電源，釋放指定能量的電火花，采用低能火花電荷放射光譜在線測量反應產物濃度。同時通過高速攝像機觀測鈹水界面反應過程。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種鈹水反應裝置，營造更為全面的實驗環(huán)境，能夠開展鈹水反應技術問題的實驗研究。本發(fā)明采用的技術方案為：一種鈹水反應裝置，該裝置包括加熱室、反應室、隔離室、控制室、鈹樣品、感應加熱爐、調節(jié)桿、引線、耐高溫波紋管、真空泵、左邊隔離板、右邊隔離板、抓手、采集與控制系統(tǒng)、高速攝像機、鎢電極、診斷玻璃窗口、棱鏡、光電倍增管、進氣孔、外力施加裝置、半圓形夾具、石墨坩堝、驅動電機、金屬板、熱電偶和小孔；加熱室和反應室通過隔離室隔離，整個裝置處于密封環(huán)境內，加熱前用真空泵對加熱室和反應室進行抽真空，隔離室保持一個大氣壓的惰性氣體氬氣，加熱室采用外感應加熱爐對其進行加熱，加熱室采用陶瓷組成，調節(jié)桿貫穿加熱室和控制室，石墨坩堝通過螺絲固定在調節(jié)桿上，金屬樣品盛放在石墨坩堝上，加熱室和控制室通過螺孔和螺帽連接，驅動電機控制調節(jié)桿向反應室移動，調節(jié)桿通過波紋管與加熱室密封，同時可以滿足調節(jié)桿的伸縮需求，驅動電機通過引線接電源控制，當調節(jié)桿靠近左邊隔離板時，所述右邊隔離板關閉，左邊隔離板上部向外提升使得隔離室和加熱室貫通，坩堝順利通過，左邊隔離板和右邊隔離板采取上下兩塊板結構，線密封形式，板呈120°夾角，待坩堝通過后，采用夾具將樣品夾起，將調節(jié)桿向左移動到加熱室，關閉左邊隔離板，上述結構可以有效的防止高溫金屬蒸汽蔓延到隔離室，在加熱室夾層內通冷卻水，降低溫度，使得高溫金屬蒸汽盡快冷凝，防止有毒蒸汽溢出。其中，打開隔離板，調節(jié)金屬板伸入隔離區(qū)，通過夾具釋放金屬樣品到金屬板上，調節(jié)金屬板向右移動，金屬樣品進入反應區(qū)指定位置，控制金屬板移動結構和控制室結構一樣，反應室上方有注氣口，注水口通過錐面密封，不注氣時處于密封狀態(tài)，注氣時打開控制桿，注氣系統(tǒng)可以調節(jié)注入水蒸汽的流量，所述反應物進入反應區(qū)后，化學反應開始進行，當金屬樣品到達反應室指定位置時，反應室上端開有小孔，熱電偶通過小孔進入反應室，金屬鈹上方固定一個熱電偶，在存放樣品的金屬板上引出一根導線，該導線和熱電偶正極相連，熱電偶和反應室通過波紋管密封，上方通過半圓形夾具固定熱電偶水平方向，半圓形夾具固定于反應室上方，由于反應過程中樣品與水發(fā)生化學反應，其體積一直變小，通過外力施加裝置調節(jié)外力使得熱電偶向下移動，當熱電偶接觸到樣品，停止外力施加，獲得溫度實時測量。其中，反應室前后兩面采用玻璃，通過高速攝像機觀察樣品與水接觸表面變化，同時在反應室上方伸入兩根鎢電極，電極與反應室通過橡膠密封，在電極兩端加10V的電壓，通過電極點火激發(fā)氫氣光譜，在反應區(qū)的側面有一塊石英玻璃，激發(fā)光通過棱鏡進入光電倍增管，在線測量各物質變化，待反應結束后，打開反應室上方的進氣孔，一定流量的惰性氣體經(jīng)過反應區(qū)將反應產生的氣體帶出，經(jīng)過冷卻器、氫氣分離器和四級質譜，獲得產物如氫氣定量的質量信息。本發(fā)明的原理在于：該發(fā)明特點在于加熱室、反應室和隔離室分離結構，整個裝置處于密封環(huán)境中，防止高溫金屬鈹有毒蒸汽溢出到環(huán)境。加熱室通過感應加熱爐加熱固態(tài)金屬可達1000℃。加熱室結構材料采用陶瓷，和控制室采用法蘭連接。鈹樣品放置在石墨坩堝上，石墨坩堝通過螺絲固定在調節(jié)桿上。調節(jié)桿左側連接驅動電機，右側延伸至加熱室，通過驅動電機裝置控制調節(jié)桿向右移動距離，驅動電機通過引線引出連接控制系統(tǒng)，引線和密封外殼通過波紋管連接。通過控制調節(jié)桿向反應室延伸。加熱前，通過真空泵將加熱室抽至真空到10Pa以下，隔離室保持一個大氣壓常壓，此設計可降低鈹蒸汽揮發(fā)，減少鈹蒸汽相隔離室擴散。加熱室和反應室通過隔離室分開，隔離室左右兩側采用隔離板進行隔離，每塊隔離板由上下兩塊板組成，兩塊板采用機械面密封，呈現(xiàn)120度夾角。當調節(jié)桿靠近左邊隔離板時，所述隔離板上方板向上提升，坩堝順利通過。通過隔離室內抓手將樣品抓起，通過電機控制調節(jié)桿向左拉出，隔離板上方板向下移動，關閉左邊隔離板。打開右邊隔離板，通過電機控制金屬板進入隔離區(qū)，打開抓手，將樣品放置在金屬板上，移動金屬板進入反應區(qū)，關閉右邊隔離板。隔離室和反應室四周采用有機玻璃制成，通過可視化調節(jié)其放置位置。待金屬樣品進入反應區(qū)后，在加熱室夾層內通冷卻水，降低溫度，使得高溫金屬蒸汽盡快冷凝，防止有毒蒸汽溢出。通過反應室上方注水口注水，注水口通過錐面密封，需要注水時提升控制桿。通過注水系統(tǒng)可調節(jié)注水速率。當樣品與水反應過程，樣品體積會漸漸變小，設計一種可以隨樣品表面位置變化的熱電偶測量方式。金屬鈹上方固定一個熱電偶，在存放樣品的金屬Pt板上引出一根導線，該導線和熱電偶正極相連，當金屬樣品到達反應室指定位置時，熱電偶和反應室通過波紋管密封，上方通過半圓形夾具固定熱電偶水平方向，半圓形夾具固定于反應室，當熱電偶沒有接觸到金屬表面時，電路處于斷路狀態(tài)，通過調節(jié)外力使得熱電偶下移來使其連通，當熱電偶接觸樣品時，電路呈通路，外力停止作用。在鈹水反應過程中，外力的施加速率為0.2N/min，所述熱電偶采用鎧裝式熱電偶，其固定性更好。反應室前后兩面采用玻璃材質，通過高速攝像機觀察金屬與水接觸表面變化。同時在反應室上方深入兩根鎢電極，電極與反應室通過橡膠密封，在電極兩端加一定電壓，產生電火花，在反應區(qū)的側面有一塊石英玻璃，電火花激發(fā)產物產生的激發(fā)光通過棱鏡進入光電倍增管，經(jīng)信號處理轉化成各物質成分濃度，實現(xiàn)在線測量各物質變化。待反應結束后，打開應室上方的進氣孔，一定流量的惰性氣體經(jīng)過反應區(qū)將反應產生的氣體帶出，經(jīng)過蒸汽冷凝器和氫氣分離器，獲得產生氫氣濃度和質量等信息。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：(1)、本發(fā)明可以實時獲得鈹表面溫度變化，為獲得產物與溫度變化關系提供條件，結合高速攝像機觀測鈹水反應的界面變化，為模擬事故工況膜態(tài)沸騰條件下鈹水反應機理研究提供條件。(2)、本發(fā)明采用加熱室和反應室隔離方式，有效減少鈹蒸汽的溢出。附圖說明圖1為一種鈹水反應裝置的結構示意圖：圖2為熱電偶實時測量球體表面溫度結構示意圖；圖中附圖標記含義為：1為加熱室、2為反應室、3為隔離室、4為控制室、5為鈹樣品、6為感應加熱爐、7為調節(jié)桿、8為引線、9為耐高溫波紋管、10為真空泵、11為左邊隔離板、12為右邊隔離板、13為抓手、14為采集與控制系統(tǒng)、15為高速攝像機、16為鎢電極、17為診斷玻璃窗口、18為棱鏡、19為光電倍增管、20為進氣孔、21為外力施加裝置、22為半圓形夾具、23為石墨坩堝、24為驅動電機、25為金屬板、26為熱電偶、27為小孔。具體實施方式下面結合附圖以及具體實施例進一步說明本發(fā)明。如圖1-2所示，本發(fā)明一種鈹水反應裝置，該裝置包括加熱室1、反應室2、隔離室3、控制室4、鈹樣品5、感應加熱爐6、調節(jié)桿7、引線8、耐高溫波紋管9、真空泵10、左邊隔離板11、右邊隔離板12、抓手13、采集與控制系統(tǒng)14、高速攝像機15、鎢電極16、診斷玻璃窗口17、棱鏡18、光電倍增管19、進氣孔20、外力施加裝置21、半圓形夾具22、石墨坩堝23、驅動電機24、金屬板25、熱電偶26和小孔27。其中，加熱室1和反應室2通過隔離室3隔離，整個裝置處于密封環(huán)境內，加熱前用真空泵10對加熱室1和反應室2進行抽真空，隔離室3保持一個大氣壓的惰性氣體氬氣，加熱室1采用外感應加熱爐6對其進行加熱，加熱室采用陶瓷組成，調節(jié)桿7貫穿加熱室1和控制室4，石墨坩堝23通過螺絲固定在調節(jié)桿7上，金屬樣品5盛放在石墨坩堝23上，加熱室1和控制室4通過螺孔和螺帽連接，驅動電機24控制調節(jié)桿7向反應室2移動，調節(jié)桿7通過波紋管與加熱室1密封，同時可以滿足調節(jié)桿的伸縮需求，驅動電機24通過引線8接電源控制。當調節(jié)桿4靠近左邊隔離板11時，所述右邊隔離板12關閉，左邊隔離板11上部向外提升使得隔離室3和加熱室1貫通，坩堝23順利通過，左邊隔離板11和右邊隔離板12采取上下兩塊板結構，線密封形式，板呈120°夾角，待坩堝23通過后，采用夾具13將樣品5夾起，將調節(jié)桿7向左移動到加熱室1，關閉左邊隔離板11，上述結構可以有效的防止高溫金屬蒸汽蔓延到隔離室3。在加熱室夾層內通冷卻水，降低溫度，使得高溫金屬蒸汽盡快冷凝，防止有毒蒸汽溢出。打開隔離板12，調節(jié)金屬板25伸入隔離區(qū)3，通過夾具13釋放金屬樣品5到金屬板25上，調節(jié)金屬板向右移動，金屬樣品4進入反應區(qū)2指定位置，控制金屬板移動結構和控制室結構一樣。反應室2上方有注氣口，注水口通過錐面密封，不注氣時處于密封狀態(tài)，注氣時打開控制桿，注氣系統(tǒng)可以調節(jié)注入水蒸汽的流量等。所述反應物進入反應區(qū)后，化學反應開始進行。當金屬樣品5到達反應室2指定位置時，反應室2上端開有小孔，熱電偶通過小孔進入反應室2，金屬鈹上方固定一個熱電偶26，在存放樣品的金屬板上引出一根導線，該導線和熱電偶正極相連，熱電偶26和反應室2通過波紋管密封，上方通過半圓形夾具22固定熱電偶6水平方向，半圓形夾具22固定于反應室2上方，由于反應過程中樣品4與水發(fā)生化學反應，其體積一直變小，通過外力施加裝置21調節(jié)外力使得熱點偶26向下移動，當熱點偶26接觸到樣品4，停止外力施加，獲得溫度實時測量。反應室2前后兩面采用玻璃，通過高速攝像機15觀察樣品與水接觸表面變化，同時在反應室2上方伸入兩根鎢電極16，電極16與反應室2通過橡膠密封，在電極16兩端加一定的電壓，通過電極點火激發(fā)氫氣光譜，在反應區(qū)的側面有一塊石英玻璃，激發(fā)光通過棱鏡18進入光電倍增管19，在線測量各物質變化。待反應結束后，打開反應室上方的進氣孔20，一定流量的惰性氣體經(jīng)過反應區(qū)將反應產生的氣體帶出，經(jīng)過冷卻器、氫氣分離器和四級質譜，獲得產物如氫氣定量的質量等信息。